Een ontdekking van hoe draaiende elektronen kunnen worden gecontroleerd en overgedragen, maakt de weg vrij voor nieuwe hybride apparaten die beter kunnen presteren dan bestaande halfgeleiderelektronica. In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van de Universiteit van Linköping in Zweden laten zien hoe een veelgebruikte halfgeleider kan worden gecombineerd met een topologische isolator, een recent ontdekte staat van materie met unieke elektrische eigenschappen.

Zoals de aarde om haar eigen as draait, een elektron ook, met de klok mee of tegen de klok in. "Spintronica" is de naam die wordt gebruikt om technologieën te beschrijven die zowel de spin als de lading van het elektron benutten. De huidige toepassingen zijn beperkt, en de technologie wordt voornamelijk gebruikt in harde schijven van computers. Spintronics belooft grote voordelen ten opzichte van conventionele elektronica, inclusief lager stroomverbruik en hogere snelheid.

Wat de elektrische geleiding betreft, natuurlijke materialen worden ingedeeld in drie categorieën:geleiders, halfgeleiders en isolatoren. Onderzoekers hebben onlangs een exotische fase van materie ontdekt die bekend staat als "topologische isolatoren", die van binnen een isolator is, maar een geleider aan de oppervlakte. Een van de meest opvallende eigenschappen van topologische isolatoren is dat een elektron in een bepaalde richting langs het oppervlak van het materiaal moet reizen, bepaald door zijn draairichting. Deze eigenschap staat bekend als 'spin-momentum locking'.

"Het oppervlak van een topologische isolator is als een goed georganiseerde verdeelde snelweg voor elektronen, waar elektronen met één spinrichting in één richting reizen, terwijl elektronen met de tegenovergestelde spinrichting in de tegenovergestelde richting reizen. Ze kunnen snel reizen in de aangegeven richting zonder te botsen en zonder energie te verliezen, " zegt Yuqing Huang, Promovendus bij de faculteit Natuurkunde, Chemie en Biologie (IFM) aan de Universiteit van Linköping.

Deze eigenschappen maken topologische isolatoren veelbelovend voor spintronische toepassingen. Echter, een belangrijke vraag is hoe de oppervlaktespinstroom in topologische isolatoren kan worden gegenereerd en gemanipuleerd.

Het onderzoeksteam achter de huidige studie heeft nu de eerste stap gezet in de richting van het overbrengen van spin-georiënteerde elektronen tussen een topologische isolator en een conventionele halfgeleider. Ze genereerden elektronen met dezelfde spin in galliumarsenide, GaAs, een halfgeleider die veel wordt gebruikt in de elektronica. Om dit te behalen, ze gebruikten circulair gepolariseerd licht, waarin het elektrische veld met de klok mee of tegen de klok in draait, gezien in de rijrichting van het licht. De spin-gepolariseerde elektronen zouden dan van GaAs naar een topologische isolator kunnen worden overgebracht, om een ​​gerichte elektrische stroom op het oppervlak te genereren. De onderzoekers konden de oriëntatie van de spin van de elektronen controleren, en de richting en de sterkte van de elektrische stroom in de topologische isolator bismuttelluride, Bi2Te3. Die flexibiliteit was er volgens de onderzoekers nog niet eerder. Dit alles werd bereikt zonder een externe elektrische spanning aan te leggen, het aantonen van het potentieel van efficiënte omzetting van lichtenergie naar elektriciteit. De bevindingen zijn belangrijk voor het ontwerp van nieuwe spintronische apparaten die gebruikmaken van de interactie van materie met licht, een technologie die bekend staat als 'opto-spintronica'.

"We combineren de superieure optische eigenschappen van GaAs met de unieke elektrische eigenschappen van een topologische isolator. Dit heeft ons nieuwe ideeën gegeven voor het ontwerpen van opto-spintronische apparaten die kunnen worden gebruikt voor efficiënte en robuuste informatieopslag, aandelenbeurs, verwerking en uitlezing in toekomstige informatietechnologie, " zegt professor Weimin Chen, wie de studie heeft geleid.